Ứng dụng iot để thu thập dữ liệu trên xe toyota camry 5s FE

LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đồ án xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Khánh Tân, trong q
trình thực hiện nhóm chúng em gặp khơng ít những khó khăn, nhưng ln ln nhận được
sự hỗ trợ, hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và thiết bị của thầy để nhóm thực hiện đồ án.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn thầy phản biện đã nhận xét thật cụ thể và đóng góp những
ý kiến quý báu để đồ án được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong Khoa Cơ Khí Động Lực đã hỗ trợ
kiến thức và tạo điều kiện để nhóm thực hiện đồ án để chúng em khắc phục được những khó
khăn.
Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh
đã cung cấp cho chúng em các kiến thức nền tảng và kiến thức chuyên ngành để nhóm có đủ
năng lực, đủ kiến thức để thực hiện đồ án thành công.
Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, chia sẻ hiểu biết
và kiến thức để nhóm thực hiện đồ án được hồnh thiện hơn.
Xin chúc các thầy cơ ln ln dồi dào sức khỏe, tràn đầy năng lượng, có thật nhiều là
nhiều niềm vui, hạnh phúc trong cuộc sống. Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn.
Nhóm thực hiện đồ án
-

Bùi Văn Chung
Nguyễn Minh Tiến


TÓM TẮT
1.
2.
-

Vấn đề nghiên cứu
Lý thuyết và ứng dụng IoT.
Giao tiếp mạng riêng ảo VPN.

Sơ đồ mạch điện của xe Toyota Camry 5S-FE.
Hệ thống điều khiển động cơ.
Phần mềm Arduino.
Phần mềm LabVIEW.
Các hướng tiếp cận
Thông qua sự phát triển của IoT và mục tiêu ứng dụng IoT trở thành ngôi trường

-

thông minh của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Dựa vào tài liệu tham khảo của khóa trước cùng với sư hỗ trợ, hướng dẫn cụ thể và

3.
-

cung cấp tài liệu của thầy Lê Khánh Tân.
Cách giải quyết vấn đề
Nắm rõ nguyên lý hoạt động cảm biến và cách đọc hiểu sơ đồ mạch điện động cơ.
Lập trình thu thập tín hiệu từ Arduino, thiết kế mạch điện để giảm dịng điện.
Lập trình LabVIEW nhận dữ liệu từ Arduino truyền lên, tính tốn và phân tích sau đó

-

hiển thị.
Dùng hai thiết bị Router hỗ trợ giao tiếp với Internet thông qua mạng riêng ảo VPN.
Tham khảo tài liệu có sẵn trên Internet, ý kiến bạn bè, sinh viên khóa trước và đặc

biệt là thầy hướng dẫn Lê Khánh Tân.
4. Một số kết quả đạt được
- Thiết kế được thiết bị thu thập tín hiệu cảm biến trên động cơ.

- Dữ liệu được truyền từ chương trình Arduino đến LabVIEW xử lý và gửi lên Internet.
Do đó dữ liệu được xem ở bất cứ nơi nào có kết nối mạng Internet.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................... i
TÓM TẮT............................................................................................................................... ii
MỤC LỤC............................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH....................................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài..........................................................................................................1
1.2. Giới hạn đề tài..............................................................................................................1
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài.........................................................................................2
1.4. Phương pháp thực hiện.................................................................................................2
1.5. Kế hoạch nghiên cứu....................................................................................................3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................................4
2.1. Lý thuyết cảm biến.......................................................................................................4
2.1.1. Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle position sensor)...............................................4
2.1.2. Cảm biến nhiệt độ.................................................................................................5
2.1.3. Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp...................................................10
2.1.4. Cảm biến mức nhiên liệu.....................................................................................12
2.2. Điều khiển động cơ....................................................................................................13
2.2.1. Điều khiển đánh lửa............................................................................................13
2.2.2. Điều khiển phun nhiên liệu..................................................................................18
2.3. Cơng nghệ IoT............................................................................................................21
2.4.1. Internet of Things là gì?......................................................................................21

2.4.2. Khả năng định danh độc nhất..............................................................................21
2.4.3. Xu hướng và tính chất của Internet of Things.....................................................22
2.4.5. Các hệ thống phụ trong IoT.................................................................................23
2.4.6. Ứng dụng của IoT...............................................................................................23
2.4.7. IoT trong công nghệ nhà thông minh...................................................................27
2.4.8. Ứng dụng IoT cho camera giám sát.....................................................................29
2.4.9. Kết luận...............................................................................................................30
2.4. Ứng dụng IoT trong thu phát tín hiệu trên xe.............................................................31
2.3.1. Giải pháp hỗ trợ sử dụng đường hầm VPN, NAT PORT.....................................31
2.3.2. Thu thập và truyền dữ liệu tín hiệu trên xe Toyota Camry 5S - FE 1997.............33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH THIẾT BỊ THU THẬP VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU...37
3.1. Thiết kế phần cứng.....................................................................................................37
3.2. Thiết kế phần mềm.....................................................................................................38
3.2.1. Chương trình Arduino.........................................................................................38
3.2.2. Chương trình trên LabVIEW...............................................................................40
3.3. Cài đặt Router và NAT PORT....................................................................................44
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ...............................................50
4.1. Quy trình thực nghiệm...............................................................................................50
4.2. Kết quả thức nghiệm thu được khi nổ máy xe............................................................50
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.............................................................................55
5.1. Kết quả đạt được........................................................................................................55
5.2. Kết luận......................................................................................................................55
5.3. Hướng phát triển của đề tài........................................................................................55
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................57


PHỤ LỤC A: GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO..........................................................................58
1. Arduino là gì?................................................................................................................58
2. Tại sao chọn Arduino?...................................................................................................59
3. Tổng quan về Arduino Uno R3.....................................................................................59

3.1. Phần cứng của Arduino Uno R3.............................................................................59
3.2. Phần mềm Arduino IDE.........................................................................................62
4. Lập trình trên Arduino IDE...........................................................................................64
4.1. Ngơn ngữ lập trình trên Arduino............................................................................64
4.2. Chương trình code..................................................................................................67
4.3. Giải thích chương trình code..................................................................................71
PHỤ LỤC B: GIỚI THIỆU LabVIEW.................................................................................76
1. LabVIEW là gì ?...........................................................................................................76
2. Các ứng dụng của LabVIEW........................................................................................77
3. Những khái niệm cơ bản của LabVIEW.......................................................................77
3.1. VI -Thiết bị ảo........................................................................................................77
3.2 Front Panel và Block Diagram................................................................................77
3.3. Các kỹ thuật lập trình trên LabVIEW.....................................................................79
4. Functions Palette (Bảng các hàm chức năng)................................................................83
4.1. Programming (Các khối hàm cơ bản).....................................................................83
4.2. Instrument I/O (Công cụ giao tiếp).........................................................................88
4.3. Data communication (Giao tiếp dữ liệu)................................................................91
5. Chương trình thu thập xử lý tín hiệu các cảm biến và đồ thị mơ phỏng........................93
5.1. Chương trình SERVER..........................................................................................93
5.2. Chương trình CLIENT...........................................................................................97


PHỤ LỤC C: GIỚI THIỆU CƠNG NGHỆ IoT....................................................................99
1. Mạng khơng dây............................................................................................................ 99
1.1. NFC........................................................................................................................ 99
1.2. Bluetooth................................................................................................................99
1.3. RF........................................................................................................................... 99
1.4. Wireless.................................................................................................................. 99

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
RS232
Serial
IP
TCP/IP
LabVIEW
THW
THA
MAP
PIM
VTA
IGT
RPM
FUEL
Arduino IDE
IC Atmega328
ECU
USB
IoT
IP WAN
IP LAN
VPN
NAT
P2P
ADSL

Chú thích
Chuẩn giao tiếp RS232 để nối ghép các thiết bị
ngoại vi với máy tính

Cơng cụ giao tiếp giữa thiết bị và máy tính

Đơn vị

Internet Protocol (nghi thức giao tiếp)

Một giao thức để truyền và nhận dữ liệu đáng
tin cậy qua mạng (Internet Protocol Suite)
Phần mềm máy tính (Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench)
Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát
Tín hiệu nhiệt độ khơng khí nạp
Cảm biến áp suất tuyệt đối áp trên đường ống
nạp (Manifold Absolute Pressure)
Tín hiệu áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

Tín hiệu vị trí bướm ga
Tín hiệu điều khiển đánh lửa
Tốc độ động cơ (Round Per Minute)
Tín hiệu cảm biến mức nhiên liệu
Phần mềm lập trình cho Arduino
Vi xử lý trên Arduino
Hộp điều khiển (Electronic Control Unit)
Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính
(Universal Serial Bus)
Internet of Things (vạn vật kết nối)
Wide Area Network
Local Area Network
Virtual Private Network
Network Address Translation

Peer to Peer hoặc Point to Point

Cung cấp phương thức truyền dữ liệu với băng
thơng rộng, tốc độ cao.

Độ C
Độ C

kPa
%
Vịng/phút
%


DANH MỤC CÁC HÌ
Hình 2.1: Cấu tạo và mạch điện cảm biến..............................................................................4
Hình 2.2: Cảm biến vị trí bướm ga.........................................................................................5
Hình 2.3: Đường đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga.............................................................5
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ.....................................................................................6
Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát...........................................................7
Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ..........................................................................8
Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ..................................................................................................8
Hình 2.8: Mạch điện cảm biến khí nạp...................................................................................9
Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp..................................................9
Hình 2.10: Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP).....................................10
Hình 2.11: Cấu tạo và sơ sồ mạch điện cảm biến MAP........................................................10
Hình 2.12: Mạch điện cầu Wheatston bên trong cảm biến MAP..........................................11
Hình 2.13: Đồ thị đường đặc tính cảm biến MAP................................................................12
Hình 2.14: Mạch điện cảm biến mức nhiên liệu...................................................................12
Hình 2.15: Đồ thị đường đặc tính cảm biến mức nhiên liệu.................................................13

Hình 2.16: Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa của ECU...........................................................14
Hình 2.17: Đồ thị đường đặc tính góc đánh lửa sớm............................................................15
Hình 2.18: Sơ đồ điều khiển góc đánh lửa sớm của hệ thống đánh lửa trực tiếp xe Toyota. 17
Hình 2.19: Bản đồ góc ngậm điện........................................................................................17
Hình 2.20: ECU điều khiển phun nhiên liệu.........................................................................20
Hình 2.21: Sơ đồ kết nối của IoT.........................................................................................21
Hình 2.22: Tác động của ứng dụng IoT đối với cuộc sống...................................................23
Hình 2.23: Ứng dụng IoT trong thành phố thơng minh (Smart cities)..................................25
Hình 2.24: Ứng dụng IoT trong Y tế....................................................................................25
Hình 2.25: Ứng dụng IoT trong giáo dục.............................................................................26
Hình 2.26: Hệ thống nhà thơng minh...................................................................................29
Hình 2 27: Mơ hình mạng riêng ảo VPN..............................................................................31
Hình 2.28: Quy trình thực hiện thu thập và truyền dữ liệu...................................................34


Y
Hình 3.1: Hình vẽ mơ phỏng mạch điện thu thập dữ liệu.....................................................38
Hình 3.2: Thiết kế bộ thu thập dữ liệu..................................................................................38
Hình 3.3: Cáp kết nối Arduino và máy tính..........................................................................39
Hình 3.4: Giao tiếp giữa máy tính và Arduino.....................................................................39
Hình 3.5: Sơ đồ khối đọc tín hiệu từ các chân tín hiệu.........................................................39
Hình 3.6: Sơ đồ khối đọc tín hiệu xung IGT........................................................................40
Hình 3.7: Sơ đồ khối Gửi tín hiệu đọc được từ Arduino lên máy tính..................................40
Hình 3.8: Sơ đồ khối giao tiếp giữa Arduino và LabVIEW..................................................41
Hình 3.9: Mơ hình khối giao tiếp VISA của LabVIEW........................................................42
Hình 3.10: Mơ hình khối tách tín hiệu trong LabVIEW.......................................................42
Hình 3.11: Sơ đồ khối thiết lập chương trình SERVER........................................................43
Hình 3.12: Mơ hình khối chương trình SERVER trong LabVIEW......................................43
Hình 3.13: Sơ đồ khối thiết lập chương trình CLIENT........................................................43
Hình 3.14: Mơ hình khối chương trình SERVER trong LabVIEW......................................44

Hình 4.1: Giao diện chương trình SERVER lúc khơng tải (VTA 0 %).................................51
Hình 4.2: Giao diện chương trình CLIENT lúc khơng tải (VTA 0 %)..................................51
Hình 4.3: Bảng đồ thị kết quả chương trình SERVER lúc khơng tải (VTA 0 %)..................52
Hình 4.4: Bảng đồ thị kết quả chương trình CLIENT lúc khơng tải (VTA 0 %)..................52
Hình 4.5: Giao diện chương trình SERVER lúc có tải (VTA 31 %).....................................53
Hình 4.6: Giao diện chương trình CLIENT lúc khơng tải (VTA 31%).................................53
Hình 4.7: Bảng đồ thị kết quả chương trình SERVER lúc khơng tải (VTA 31 %)................54
Hình 4.8: Bảng đồ thị kết quả chương trình CLIENT lúc khơng tải (VTA 31 %)................54


DANH MỤC CÁC BẢ
Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát....................................................7
Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp...................................................9
Bảng 2.3: So sánh với ứng dụng IoT trên nhà thông minh:..................................................34
Y
Bảng A.1: Cấu trúc, giá trị và hàm thủ tục............................................................................64
Bảng A. 2: Ý nghĩa các kiểu biến dữ liệu.............................................................................72


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển của công nghệ ô tô với tốc độ chóng mặt, cùng với xu hướng hội nhập
hiện nay thì nên công nghiệp ô tô Việt Nam đang trên con đường phát triển mạnh mẽ.
Các nước phát triển đang chạy đua với cuộc cạch mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ
thông tin là một phần không thể thiếu, đặc biệt là kết nối những chiếc xe hơi với nhau, kết
nối đó gọi là Internet of Things. Các xe hơi được kết nối Internet, truyền và nhận thông tin
một cách tự động, vì vậy xe hơi sẽ ngày càng thơng minh và có thể xử lý tình huống trước sự
can thiệp của con người, hơn nữa các xe hơi cịn có thể giao tiếp với nhau, giao tiếp với mọi
sự vật xung quanh. Để làm được điều đó thì việc thu thập dữ liệu từ xe là rất quan trọng, sau

đó xe sẽ tự chuẩn đốn và phân tích để giúp chiếc xe được an toàn và ổn định hơn. Hơn nữa,
thơng qua Internet xe sẽ gửi thơng tin, tình trạng kỹ thuật cũng như nhận thông tin từ nhà sản
xuất.
Với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 sắp tới, việc ứng dụng IoT là một bước phát triển
vượt bậc. Bên cạnh đó việc thu thập dữ liệu trên xe là rất quan trọng. Do đó nhóm chúng em
đã chọn nghiên cứu đề tài “ Ứng dụng IoT để thu thập dữ liệu trên xe Toyota Camry 5S-FE”.
Em hy vọng rằng đề tài này sẽ là địn bẩy để giúp nhóm chúng em nghiên cứu sâu về công
nghệ thông tin, đặc biệt là ứng dụng IoT trên các xe hơi hiện đại và thông minh hiện nay.
1.2. Giới hạn đề tài
-

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình thu thập tín hiệu trên xe Toyota Camry 5S-FE

-

1997.
Xử lý tín hiệu thu được thơng qua ứng dụng của Arduino và sau đó gửi tín hiệu lên máy

-

tính.
Sử dụng phần mềm LabVIEW trên máy SERVER để hiển thị tín hiệu từ máy tính do
Arduino truyền đến và dùng dữ liệu của tín hiệu này truyền đi qua máy tính khác bằng

-

giao thức TCP/IP qua mạng Internet.
Sử dụng hai Router Vigor2925 có hỗ trợ mở PORT qua đường hầm VPN để truyền dữ
liệu.

-

Máy CLIENT nhận tín hiệu từ máy SERVER truyền đến xử lý và hiện thị chúng.

1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
Mục tiêu:
-

Đọc được các tín hiệu thu thập được từ các cảm biến và xung, hiển thị chúng qua giao
diện giống thực tế và truyền chúng qua hai máy tính bằng mạng Internet.

Nhiệm vụ:
-

Tìm hiểu sử dụng được các ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và

-

LabVIEW.
Ôn lại kiến thức chuyên ngành về điều khiển động cơ và các cảm biến có trên xe Toyota

-

Camry 5S-FE 1997.
Lập trình chương trình thu thập tín hiệu được yêu cầu trên xe bằng Arduino.
Thiết kế phần cứng để đảm bảo an toàn việc kết nối board Arduino và các tín hiệu từ cảm

-

biến và xung cần thu thập, sau đó truyền lên máy tính.
Tìm hiểu các ứng dụng của IoT sau đó ứng dụng vào đề tài.
Thiết kế giao diện phần mềm LabVIEW trên máy tính SERVER và CLIENT để hiển thị
và truyền tín hiệu đi bằng giao thức TCP/IP qua mạng Internet.

1.4. Phương pháp thực hiện
-

Bắt đầu nghiên cứu từ những ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và
LabVIEW rồi sau đó dần đi vào mục đích nghiên cứu chính của đề tài là thu thập tín hiệu

-

trên xe.
Tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ trên mạng và sách giáo trình liên quan đến đề tài về
các phần mềm, giao tiếp của IoT. Đặt biệt được sự hướng dẫn chu đáo từ thầy hướng dẫn
và việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm khác và các anh khóa trước. Từ đó nhóm đã có
đủ cơ sở kiến thức để thực hiện đề tài này.

1.5. Kế hoạch nghiên cứu
Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn
sau:


Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài
-

Lập trình về Arduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài.
Lập trình về LabVIEW thực hiện hiển thị kết quả đơn giản.
Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Toyota Camry 5S-FE 1997.

Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến.
Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu và nghiên cứu IoT

-

Thiết kế phần cứng là bộ thu tín hiệu và board Arduino.
Thiết kế phần mềm là hồn thành chương trình trên phần mềm Arduino để thu thập dữ

-

liệu ổn định và hiển thị kết quả thu được trên LabVIEW của hai máy tính.
Tìm hiểu về công nghệ IoT để sử dụng trong việc truyền tải dữ liệu.
Giai đoạn 3: Tiến hành thu thập tín hiệu và viết thuyết minh

-

Nổ máy xe và thực hiện thu thập và truyền dữ liệu.
Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm.
Viết thuyết minh bằng Word.
Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình.
Hồn tất đề tài.


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết cảm biến
2.1.1. Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle position sensor)
Góc mở bướm ga thành tín hiệu điện áp gửi đến ECU. Đa số cảm biến bướm ga là loại
tuyến tính (dạng biến trở) 3 dây. Tuy nhiên trên một số xe có 4 dây do bố trí thêm cơng tắc
vị trí khơng tải (idle). Cảm biến bướm ga có các chức năng sau:
-

Điều chỉnh tỉ lệ hỗn hợp theo tải của động cơ: Ở tốc độ cầm chừng đòi hỏi hỗn hợp hơi
giàu, khi tải lớn phải làm giàu hỗn hợp để công suất động cơ phát ra tối đa và khi động

-

cơ hoạt động ở tải trung bình phải đảm bảo động cơ chạy tiết kiệm.
Cắt nhiên liệu khi giảm tốc: Khi giảm tốc ECU sẽ căn cứ vào cảm biến số vịng quay
động cơ và cảm biến vị trí bướm ga để cắt nhiên liệu, nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm

-

ô nhiễm môi trường.
Làm giàu hỗn hợp khi tăng tốc: Khi ấn ga đột ngột từ vị trí cầm chừng, ECU sẽ tăng
lượng nhiên liệu cung cấp để làm giàu hỗn hợp giúp cho động cơ tăng tốc nhanh chóng.
Mạch điện và cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2.1: Cấu tạo và mạch điện cảm biến
Cảm biến xác định vị trí mở của cánh bướm ga một cách liên tục theo quy luật một
đường thẳng, giúp cho việc nhận biết góc mở của bướm ga được chính xác hơn.


Cảm biến bao gồm một điện trở, nguồn điện áp 5V từ ECU cung cấp vào hai đầu của
điện trở, con trượt di chuyển trên điện trở theo góc mở của cánh bướm ga. Tín hiệu điện áp
VTA từ con trượt gởi về ECU để xác định độ mở của cánh bướm ga.
Ảnh cảm biến rời và trên xe.

Hình 2.2: Cảm biến vị trí bướm ga

Hình 2.3: Đường đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga

2.1.2. Cảm biến nhiệt độ
Trên các hệ thống điều khiển động cơ và ô tô ngày nay người ta sử dụng khá nhiều cảm
biến đo nhiệt độ: nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát – ECT Engine Coolant
Temperature), nhiệt độ dầu (EOT - Engine Oil Temperature), nhiệt độ nắp máy (CHT Cylinder Head Temperature, nhiệt độ khí nạp (IAT - Intake Air Temperature hay MAT –
Manifold Air Temperature).


Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ này là dựa vào sự thay đổi giá trị điện trở,
dựa trên sự thay đổi nhiệt độ nên dẫn đến sự thay đổi điện áp ở cầu phân áp. Chi tiết quan
trọng đó là điện trở nhiệt là một phần tử cảm nhận sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Nó
được làm bằng vật liệu bán dẫn nên có hệ số nhiệt điện trở âm (NCT – Negative
Temperature Coefficient). Khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm và ngược lại. Các loại cảm
biến nhiệt độ hoạt động cùng nguyên lý nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo
nhiệt độ có khác nhau. Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi
đến ECU trên nền tảng cầu phân áp.

 Cảm biến nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát):

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ
Cảm biếm này rất quan trọng vì tín hiệu của nó được ECU dùng để điều khiển lượng
xăng phun, góc đánh lửa sớm, tốc độ không tải, và cả quạt làm mát két nước.
Điện áp 5V qua điện trở chuẩn (điện trở này có giá trị không đổi theo nhiệt độ) tới cảm
biến rồi trở ECU về mass (-). Như vậy điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo
thành một cầu phân áp. Điện áp giữa cầu được đưa đến bộ chuyển đổi tương tự - số (bộ
chuyển đổi ADC – analog to digital converter).
Khi nhiệt độ động cơ thấp, giá trị điện trở cảm biến cao và điện áp gửi đến bộ biến đổi
ADC lớn. Tín hiệu điện áp được chuyển đổi thành một dãy xung vuông và được giải mã nhờ
bộ vi xử lý để thông báo cho ECU biết động cơ đang lạnh. Khi động cơ nóng, giá trị điện trở
cảm biến giảm kéo theo điện áp đặt giảm, báo cho ECU biết là động cơ đang nóng.

ECU dùng nhiệt độ chuẩn là C. Khi nhiệt độ nước làm mát bé hơn C, ECU sẽ điều khiển
tăng lượng phun.
Khi nhiệt độ nước làm mát thay đổi, điện áp tại cực THW thay đổi theo và ECU dùng tín
hiệu này để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu.
Mạch điện

Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Lượng nhiên liệu phun thay đổi theo nhiệt độ nước làm mát là rất lớn. Khi cảm biến bị
hở mạch thì điện áp tại cực THW sẽ rất cao, lượng nhiên liệu phun sẽ tăng mạnh làm động
cơ bị ngộp xăng không thể hoạt động được. Khi cảm biến bị ngắn mạch, điện áp tại cực
THW là bé nhất làm cho động cơ hoạt động không ổn định, nhất là khi nhiệt độ động cơ
dưới C.
Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát


Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ

 Cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp, THA hoặc TA, MAT:

Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến dùng để xác định nhiệt độ khơng khí nạp vào động cơ. Mật độ của khơng khí
thay đổi theo nhiệt độ, điều này có nghĩa là khối lượng khơng khí nạp vào động cơ phụ thuộc
vào nhiệt độ của lượng khơng khí nạp.
Cảm biến được bố trí ở phía trước họng bướm ga, trong bộ đo gió hoặc trên đường ống
nạp. Phần chính cảm biến là một điện trở có trị số nhiệt điện trở âm. ECU xem nhiệt độ C là
mức chuẩn, ECU sẽ điều khiển giảm lượng nhiên liệu phun khi nhiệt độ khơng khí nạp tăng


cao và sẽ gia tăng lượng nhiên liệu khi nhiệt độ khơng khí bé hơn C. Với phương pháp này,

tỉ lệ hỗn hợp sẽ được đảm bảo theo nhiệt độ mơi trường.
Mạch điện

Hình 2.8: Mạch điện cảm biến khí nạp
Tương tự như cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến nhiệt độ khơng khí cũng lấy tín hiệu
từ cầu phân áp giữ điện trở chuẩn trong ECU và nhiệt điện trở trên cảm biến.
Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp

Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ khơng khí nạp


2.1.3. Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp
Cảm biến áp suất đường ống nạp được dùng cho hệ thống EFI kiểu D để cảm nhận áp
suất đường ống nạp. Đây là một trong những cảm biến quan trong nhất trong EFI kiểu D và
cảm biến này được đặt sau họng bướm ga.
Trên hệ thống phun xăng loại D – Jetronic lượng khí nạp đi vào xylanh được xác định
gián tiếp (phải tính lại) thơng qua cảm biến đo áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp.
Vị trí

Hình 2.10: Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp (MAP)
Cấu tạo và sơ đồ mạch điện

Hình 2.11: Cấu tạo và sơ sồ mạch điện cảm biến MAP
Bằng cách gắn một IC vào cảm biến này với nguyên lý chính là sử dụng mạch cầu
Wheatstone nhằm tạo ra một điện thế phù hợp khi giá trị điện trở thay đổi. Phần chính của
IC này là một tấm silicon nhỏ (hay gọi là màng ngăn) dày hơn ở mép ngoài (khoảng 25mm)


và mỏng ở giữa (khoảng 0,025mm). Hai mép được làm kín cùng với mặt trong của tấm
silicon tạo thành buồng chân khơng trong cảm biến. Mặt ngồi của tấm silicon tiếp xúc áp

suất đường ống nạp. Hai mặt của tấm silicon được phủ thạch anh để tạo thành điện trở áp
điện (Piezoresistor).

Hình 2.12: Mạch điện cầu Wheatston bên trong cảm biến MAP
Khi động cơ chưa hoạt động, màng silicon không bị biến dạng nên 4 điện trở của cầu có
giá trị bằng nhau và lúc đó khơng có sự chênh lệch điện áp giữa hai cầu. Khi tải thay đổi,
không khí được nạp vào nhiều hơn do đó áp suất trên đường ống nạp thay đổi. Sự thay đổi
áp suất này làm màng silicon dao động dẫn đến giá trị điện trở của các điện trở trên cầu
Wheatston thay đổi. Kết quả là giữa hai cầu sẽ có sự chênh lệnh điện áp và tín hiệu được
khuếch đại thơng qua con op_amp để điều khiển Transistor ở ngõ ra của cảm biến có cực C
treo. Độ mở của Transistor phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp dẫn đến sự thay đổi điện áp
báo về ECU, tín hiệu đó gọi là tín hiệu PIM (Pressure Intake Manifold). Sau đó ECU động
cơ xác định được thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản trên cơ sở của tín hiệu
PIM này.
Như trình bày ở hình minh họa, một chíp silic kết hợp với một buồng chân khơng, được
duy trì ở độ chân khơng định trước, được gắn vào bộ cảm biến này. Một phía của chíp này
được lộ ra với áp suất của đường ống nạp và phía bên kia thơng với buồng chân khơng bên
trong. Vì vậy, không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn vì áp suất của đường ống
nạp có thể đo được chính xác ngay cả khi độ cao này thay đổi.


Đường đặc tính

Hình 2.13: Đồ thị đường đặc tính cảm biến MAP
2.1.4. Cảm biến mức nhiên liệu
Cảm biến mức nhiên liệu được đặt ở trong thùng nhiên, chức năng là thơng báo về lượng
nhiên liệu có trong thùng nhiên liệu. Do vậy cảm biến mức nhiên liệu sẽ cho ta biết được
tình trạng của mức nhiên liệu thơng qua đồng hồ nhiên liệu trên táp lô.
Một trong những bộ phận quan trọng của cảm biến là phao báo mức nhiên liệu, thông
qua sự thay đổi mức nhiên liệu trong thùng, phao sẽ dịch chuyển làm thay đổi giá trị điện trở

trong cảm biến, giá trị này làm thay đổi giá trị điện áp và gửi về ECU điều khiển.

Hình 2.14: Mạch điện cảm biến mức nhiên liệu


Hình 2.15: Đồ thị đường đặc tính cảm biến mức nhiên liệu
2.2. Điều khiển động cơ
2.2.1. Điều khiển đánh lửa
Thời điểm đánh lửa sớm tối ưu bị ảnh hưởng bởi một số các yếu tố khác bên cạnh tốc độ
và độ chân khơng như: hình dạng của buồng cháy, nhiệt độ bên trong của buồng cháy. Vì lý
do này, bộ đánh lửa sớm chân không và ly tâm không thể tạo ra thời điểm đánh lửa lý tưởng
cho động cơ. Nhưng hệ thống đánh lửa sớm điện tử (Electronic Spark Advance - ESA) sẽ
giúp động cơ gần đạt được đặc tính thời điểm đánh lửa lý tưởng và hệ thống đánh lửa này
được TOYOTA ứng dụng trên chiếc Camry 1997 5S - FE.
So với các hệ thống đánh lửa trước đó, hệ thống đánh lửa với cơ cấu đánh lửa sớm bằng
điện tử có những ưu điểm sau:
-

Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ.
Góc ngậm điện ln ln được điều chỉnh theo tốc độ động cơ và hiệu điện thế Accu,

-

đảm bảo hiệu điện thế thứ cấp có giá trị cao ở mọi thời điểm.
Động cơ khởi động dễ dàng, cầm chừng êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ơ nhiễm khí

-

thải.
Cơng suất và đặc tính động học của động cơ được cải thiện rõ rệt.

Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ.
Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao và khơng cần bảo dưỡng.
Với những ưu điểm nổi bật như vậy, ngày nay hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển

góc đánh lửa sớm bằng điện tử kết hợp với hệ thống phun xăng đã thay thế hoàn toàn hệ


thống đánh lửa bán dẫn thông thường, giải quyết các yêu cầu ngày càng cao về độ độc hại
của khí thải.
Hệ thống ESA là một hệ thống dùng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa
vào các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau. Số tín hiệu vào càng nhiều thì việc xác định góc
đánh lửa sớm tối ưu càng chính xác. Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa
sớm bằng điện tử có thể chia thành 3 thành phần: tín hiệu vào (input signals), ECU và tín
hiệu điều khiển Igniter (output signals).

Hình 2.16: Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa của ECU
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Tín hiệu tốc độ động cơ (NE).
Tín hiệu vị trí piston (G).
Tín hiệu tải (MAP).
Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA).
Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW).
Tín hiệu điện áp Accu.

Tín hiệu kích nổ.

Ngồi ra cịn có thể có các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe,
cảm biến oxy. Sau khi nhận tín hiệu từ các cảm biến ECU động cơ tính tốn thời điểm đánh
lửa tối ưu được lưu trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ, sau đó
gửi tín hiệu đánh lửa thích hợp đến IC đánh lửa.
Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston (cốt máy) và tín hiệu tải
là các tín hiệu quan trọng nhất. Để xác định tốc độ động cơ, người ta có thể đặt cảm biến


trên một vành răng ở đầu cốt máy, bánh đà, đầu cốt cam hoặc delco. Để xác định tải của
động cơ, ECU dựa vào tín hiệu áp suất trên đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp. Do
sự thay đồi về áp suất trên đường ống nạp khi thay đổi tải, tín hiệu điện áp gởi về ECU sẽ
thay đổi và ECU nhận tín hiệu này để xử lý và quy ra mức tải tương ứng để xác định góc
đánh lửa sớm.

Hình 2.17: Đồ thị đường đặc tính góc đánh lửa sớm
Trong các hệ thống đánh lửa trước đây, việc hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm được thực hiện
bằng phương pháp cơ khí với cơ cấu ly tâm và áp thấp. Đường đặc tính đánh lửa sớm tối ưu
rất đơn giản và khơng chính xác. Trong khi đó, đường đặc tính đánh lửa lý tưởng được xác
định bằng thực nghiệm rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thông số. Đối với hệ thống đánh
lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh
gần sát với đặc tính lý tưởng. Kết hợp hai đặc tính đánh lửa sớm theo tốc độ và theo tải có
bản đồ góc đánh lửa sớm lý tưởng, với khoảng 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm được chọn
lựa đưa vào bộ nhớ.
Hệ thống đánh lửa trên xe Toyota Camry 1997 là hệ thống không có bộ chia điện và sử
dụng 2 Bobine đơi cho 4 máy. Các Bobine được nối với 2 bougie của 2 máy song hành.
Bobine thứ nhất nối với bougie máy 1 và 4 còn Bobine thứ hai nối với bougie máy 2 và 3.
Khi có dịng diện cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp của Bobine thứ nhất, việc phân phôi đánh
lửa cho máy 1 và máy 4 được thực hiện như sau:

; ;